Кольцевой буфер в EEPROM: журнал последних событий

На сверлильном участке у знакомого мастера я ставил счёт готовых деталей: фотодатчик ловит проход, событие летит в журнал EEPROM, вечером хозяин смотрит выработку. Деталь появлялась каждые пять-шесть секунд, и журнал я честно вёл подряд: событие за событием, слот за слотом. Когда тридцать два слота кончились, я дописал сдвиг — новое событие всегда в конце, старые ползут к началу. Через шесть дней первые слоты начали врать: коды залипали, время не менялось. Ячейки, на которые ложился каждый сдвиг, выработали ресурс — а их ресурс, как мы считали в уроке про износ EEPROM, конечен и измеряется записями, а не днями.

Вечером я пересчитал на калькуляторе и стало не по себе. Сдвиг тридцати двух слотов — это 124 перезаписанных байта на каждое событие, плюс четыре байта нового слота: итого 128 операций записи. Деталь каждые шесть секунд — примерно 720 событий в час — и первые ячейки блока получали по 720 записей в час. Сто тысяч циклов делятся на это за 139 часов — около шести суток. Я убил журнал ровно за неделю, ни разу не перезаписав его «лишний» раз руками.

Лечение от этого старое, как сами flash-чипы: кольцевой буфер. Индекс head показывает, куда писать следующее событие; после последнего слота запись идёт в первый — поверх самого старого. Журнал всегда хранит последние N событий, каждая ячейка блока изнашивается одинаково и в 32 раза медленнее, а процессор на каждое событие тратит четыре записи вместо 128. В этом уроке соберём такой журнал: 32 слота по 4 байта, код события плюс время — и заодно решим, где после перезагрузки платы искать head.

Честная оговорка про симулятор: EEPROM в симуляторе не эмулируется — модель памяти это массив mem в скетче, и свежие ячейки я заполняю единицами-255, как на настоящей плате. Зато механика кольца видна вчистую: кнопка и тумблер генерируют события, после восьмого слота модель пойдёт по второму кругу и скажет об этом в Serial.

Слот журнала — четыре байта. Первый хранит код события: 1 — кнопка, 2 — тумблер, 3 — перезапуск платы. Остальные три — время в секундах: millis(), делённое на тысячу, разложенное на старший, средний и младший байты. Как millis отмеряет время без delay, мы уже разбирали в уроке про millis вместо delay — здесь берём то же самое, но сбрасываем в память. Один байт секунд дал бы всего 255 секунд — четыре минуты журнала, маловато. Три байта — это 16777215 секунд, почти 194 дня непрерывной работы: запас с лихвой, потому что сам millis переполняется раньше, через 49,7 суток.

Теперь head. Это просто номер следующего слота: записали событие в слот head — и head = head + 1, а после последнего слота снова 0. В EEPROM хранить head невыгодно: его ячейка приняла бы по записи на каждое событие и стала бы концентратором износа — тем самым, против которого всё затевалось. Приём проще: пустой слот помечен кодом 255, а свежая EEPROM читается всеми единицами, как я разбирал в уроке про память без питания. Поэтому при включении head — номер первого слота, где байт кода равен 255. Пустых не нашлось — буфер полон, пишем с нулевого поверх самого старого, ради этого кольцо и делали.

Каждую запись делаем через EEPROM.update: он сам читает ячейку и пропускает байт, если там уже лежит то же значение, — эту экономию мы включали ещё в уроке про update и износ ячеек. В слоте она работает на удивление хорошо: старший байт времени меняется раз в 65536 секунд — раз в восемнадцать часов, средний — раз в 256 секунд. Реально перезаписываются код события и младший байт времени, то есть из четырёх вызовов update многие вообще не трогают ячейки.

Разберём два места, где этот скетч обычно ломают. Первое — события по фронту, а не по уровню: проверка prevBtn ловит момент нажатия, иначе пока кнопка зажата, журнал набьётся сотнями одинаковых записей и кольцо обнулится само. Второе — границы: slot всегда получается делением по модулю от 0 до 31, за BASE плюс 128 байт индекс не выходит. Это не перестраховка: EEPROM.write на платах AVR не знает о вашей карте памяти, и ловушка с адресом за краем стоит отдельной заметки ниже.

Теперь деньги — сравнение с тем сдвигом, с которого я начал. Деталь каждые шесть секунд, 720 событий в час. Сдвиг: 128 байт записи на событие, 720 умножить на 128 — больше 92 тысяч записей в час распределяются неравномерно, первые ячейки получают все 720, и ресурс кончается за 139 часов. Кольцо: 4 байта на событие, каждая ячейка блока принимает 720/32 — примерно 22 записи в час, и живёт 100000/22 — около 4400 часов, почти полгода непрерывной работы. Ровно в 32 раза дольше — по числу слотов; та же ротация, что в уроке про ресурс памяти, только по кругу вместо по порядку.

Скорость тоже в подарок. Сдвиг 32 слотов — это последовательность из 128 чтений и записей по 3,3 мс каждая: около 0,4 секунды занятого процессора на каждое событие, в течение которых не работают ни кнопки, ни экран. Кольцо делает те же четыре update-а за 13 мс — плате нечего заметить. Полное стирание журнала при заполнении, кстати, тоже проигрывает: 32 записи кода 255 раз в 32 события — по износу как кольцо, но история при стирании теряется вся, а в кольце она просто стареет.

Размер блока — вопрос мнения, и моё такое: 32 слота на 128 байт — хороший компромисс при настройках по соседству. Если журнал важнее настроек, берите 64 слота — четверть всей EEPROM Uno, — но тогда сначала посчитайте частоту событий, как мы это делали выше, и убедитесь, что году вы жертвовать не готовы. Каждый слот стоит одного байта из тысячи: жадничать тут особо нечего.

Один редкий случай в схеме всё же остаётся: буфер, замкнувшийся до перезагрузки. findHead не найдёт пустого слота и вернёт ноль, а в полном кольце нулевой слот не обязательно самый старый. На практике это почти не мешает: журнал редко успевает замкнуться до первого перезапуска, а если замкнулся, порядок первых слотов восстанавливается по времени — секунды-то лежат в каждом слоте. Для педантичных проектов ищите при старте слот с самым ранним временем, для моих дачных приборов лишние два десятка строк кода не окупились ни разу: перепутать местами два события из тридцати двух — цена, которую я плачу за простоту.

Журнал пишет — но польза от него появляется, когда его можно прочитать глазами. Байты 1 12 0 37 2 12 0 40 глазам не товарищ, и переводить их на бумажке, как сделал я в ту грозовую неделю, — работа не для человека. Следующий урок учит плату отвечать по кнопке: обход буфера от старых событий к новым, коды словами, время в чч:мм:сс — весь отчёт за секунду. Проверьте себя по ходу: если на бумажке у вас уже есть такая расшифровка, значит, её место — в скетче, а не в столе.